Nanorings Enthüllt: Erstaunliche Neue Bausteine für die Chemie

Die neue Molekülstruktur, in der sich Sandwich-Komplexe zu einem nanogroßen Ring formen, wird 'Cyclocene' genannt. Credit: Nature/AOC, KIT

Neue Verbindungen für die Organometallchemie - Sandwich-Komplexe in Form von Ringen werden durch ihre eigene Energie zusammengehalten.

Sandwich-Verbindungen sind spezielle chemische Verbindungen, die als grundlegende Bausteine in der Organometallchemie verwendet werden. Bisher waren sie immer linear aufgebaut. Vor kurzem ist es Forschern des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) und der Universität Marburg als Ersten gelungen, gestapelte Sandwich-Komplexe zu einem nanogroßen Ring zu formen. Die physikalischen und anderen Eigenschaften dieser Cyclocen-Strukturen werden nun weiter untersucht.

Sandwich-Komplexe wurden vor etwa 70 Jahren entwickelt und haben eine sandwichartige Struktur. Zwei flache aromatische organische Ringe (die "Brotscheiben") sind mit einem einzelnen zentralen Metallatom dazwischen gefüllt. Wie die Brotscheiben sind auch beide Ringe parallel angeordnet. Durch Hinzufügen weiterer Schichten von 'Brot' und 'Füllung' entstehen dreifache oder mehrfache Sandwiches.

"Diese Verbindungen gehören zu den wichtigsten Komplexen, die in der modernen Organometallchemie verwendet werden", sagt Professor Peter Roesky vom Institut für Anorganische Chemie am KIT.

Eines davon ist das hochstabile Ferrocen, für das seine "Väter" Ernst Otto Fischer und Geoffrey Wilkinson im Jahr 1973 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Ferrocen besteht aus einem Eisenion und zwei aromatischen organischen Ringen mit jeweils fünf Mitgliedern. Es wird in der Synthese, Katalyse, Elektrochemie und Polymerchemie eingesetzt.

Seit einiger Zeit versuchen Forscher am KIT und an der Universität Marburg, Sandwich-Komplexe in einem Ring anzuordnen. "Es ist uns gelungen, Ketten zu produzieren, aber keine Ringe", sagt Roesky, der die Arbeit von drei Teams an den beiden Universitäten koordinierte.

"Dank der Wahl des richtigen 'Brotscheiben' oder organischen Zwischendecks ist es uns nun erstmals gelungen, nanogroße Ringe zu bilden", sagt Professor Manfred Kappes, Leiter der Abteilung für Physikalische Chemie mikroskopischer Systeme am KIT, und Professor Florian Weigend, Leiter der Einheit für Angewandte Quantenchemie an der Universität Marburg.

Der neue Nanoring besteht aus 18 Bausteinen und hat einen Außendurchmesser von 3,8 Nanometern. Je nach Metall, das als "Füllung" des Sandwiches verwendet wird, entsteht eine orange Photolumineszenz. Die Forscher nannten die neue chemische Verbindung "Cyclocen".

Die drei Arbeitsgruppen führten aufwendige quantenchemische Berechnungen durch, um herauszufinden, warum sich die Moleküle zu einem Ring anordnen und nicht mehr eine Kette von Sandwich-Komplexen bilden. Diese Berechnungen zeigten, dass die treibende Kraft für die Ringbildung die durch den Ringverschluss gewonnene Energie ist.

"Unsere Herausforderung bestand zunächst darin, einen Ring zu bilden. Können andere Ringgrößen hergestellt werden? Besitzt diese Nanostruktur ungewöhnliche physikalische Eigenschaften? Dies wird Gegenstand weiterer Forschung sein. Aber klar ist jetzt, dass wir einen neuen Baustein in unserem Werkzeugkasten der Organometallchemie hinzugefügt haben. Und das ist großartig", sagt Roesky.